CN1948718B - 涡轮覆环组合件及组装燃气涡轮发动机的方法 - Google Patents

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Abstract

一种组装燃气涡轮发动机(10)的方法包括将具有多个转子叶片(34)的转子组件(33)围绕燃气涡轮发动机的转动主轴(24)安装起来，上述主轴与燃气涡轮发动机的轴线方向(25)成一直线排列。将一个涡轮覆环组合件(90)连接到燃气涡轮发动机上。所述的覆环组合件具有多个环绕上述转子组件沿圆周连接的覆环扇形件(60)，在相邻的覆环扇形件之间形成沿轴线方向(83)的覆环间隙(62)。每个覆环扇形件与一个冷却流体源相连接，故可使冷却流体流过每个覆环扇形件进入相应的覆环间隙，促使强制驱气流通过覆环间隙。

Description

涡轮覆环组合件及组装燃气涡轮发动机的方法
关于受联邦政府资助的研究与发展的声明
美国政府依据合同N00019-99-C-1175可拥有本发明中的一定的权益。
发明领域
本发明总的涉及燃气涡轮发动机，尤其涉及燃气涡轮发动机的涡轮覆环组合件。
背景技术
许多普遍的涡轮覆环组合件应用冷却流体流过覆环扇形件或在覆环扇形件之间流过以促进覆环扇形件的冷却。当燃气涡轮发动机工作时，覆环扇形件由于遭受到与发动机工作有关的高温而发生沿圆周方向的热膨胀，这种热膨胀造成相邻的覆环扇形件之间的间隙减小，由于相邻的覆环扇形件之间的间隙减小，也使冷却流体的流量减小。冷却流体的流量减小便阻止了或者说限制了覆环扇形件端面的冷却，最终导致覆环扇形件发生损坏故障，尤其是在覆环扇形件的圆周端面上更甚。另外，上述的覆环扇形件发生损坏也可造成覆环上的陶瓷涂层剥落。
发明概述
按照本发明的一方面，提供一种组装燃气涡轮发动机的方法，该方法包括环绕燃气涡轮发动机的与其轴线方向成一直线的转动主轴安装一个具有多个转子叶片的转子组件。再将一个覆环组合件安装到燃气涡轮发动机上，该覆环组合件具有多个围绕转子组件沿圆周连接的覆环扇形件，在相邻的覆环扇形件之间形成一个沿轴线方向的覆环间隙。每个覆环扇形件与冷却流体源相邻接，致使冷却流体流过每个覆环扇形件而进入相应的覆环间隙中，以促使强制驱气流通过覆环间隙。
按照本发明的另一方面，提供一种覆环扇形件。该覆环扇形件具有一个沿轴线方向界定于覆环扇形件的前缘与其相对的后缘之间的第一端面，而且该第一端面沿大致垂直于上述轴线方向的径向方向界定于覆环扇形件的径向内缘与其相对的径向外缘之间。沿着第一端面的轴线方向的至少一部分做出一个第一端部台阶，该端部台阶从径向内缘沿着第一端面的径向方向的至少一部分沿径向向外延伸。上述第一端部台阶的至少一部分具有一个大致平行于并且偏离第一端面的第一台阶面。至少一条第一冷却孔道在覆环扇形件的径向外表面与第一台阶面之间延伸，该至少一条第一冷却孔道形成一个位于第一台阶面内的孔口。
按照本发明的再一方面，提供一种环绕燃气涡轮发动机的转子组件沿圆周安装的覆环组合件。该覆环组合件具有一个第一覆环扇形件，该第一覆环扇形件具有一个第一端面，该第一端面沿轴线方向界定于第一覆环扇形件的前缘与其相对的后缘之间，并且沿垂直于上述轴线方向的径向方向界定于第一覆环扇形件的径向内缘与其相对的径向外缘之间。沿着第一端面的沿轴线方向的至少一部分做出一个第一端部台阶，该端部台阶从径向内缘沿着第一端面的沿径向方向的至少一部分沿径向向外延伸，第一端部台阶的至少一部分具有一个大致平行于并且偏离第一端面的第一台阶面，至少一条第一冷却孔道在第一覆环扇形件的径向外表面与第一台阶面之间延伸，该至少一条第一冷却孔道形成一个位于第一台阶面之内的孔口。第二覆环扇形件具有一个与第一覆环扇形件的第一端面相连接的第一端面。至少由第一覆环扇形件与第二覆环扇形件之间的第一端部台阶部分地形成一条覆环间隙。
附图简述
图1是按照本发明的一个实施例的燃气涡轮发动机的示意侧视图；
图2是按照本发明的一个实施例的燃气涡轮发动机的局部剖视图；
图3是按照本发明的一个实施例的涡轮覆环扇形件的正视图；和
图4是按照本发明的一个实施例的涡轮覆环扇形件的侧视图。
本发明的详细说明
本发明提供一种具有多个环绕高压燃气涡轮发动机内的轮子组件相连接的覆环扇形件的涡轮覆环组合件。该涡轮覆环组合件便利于强制驱气流通过覆环扇形件并且/或者在相邻的覆环扇形件之间流过。以防止或者说限制覆环端面在燃气涡轮发动机工作过程中发生损坏故障。上述涡轮覆环组合件可具有带涂层(例如合适的陶瓷涂层)的或不带涂层的覆环扇形件。对于涂有陶瓷涂层的覆环扇形件，本发明的涡轮覆环组合件可防止或者说限制在普通的涂有陶瓷涂层的覆环扇形件常见的陶瓷涂层剥落的问题。另外，由于本发明提供了强制驱气流通过覆环扇形件并且/或者流过相邻的覆环扇形件之间，故允许相邻覆环扇形件之间轻微的接触，这就可防止或者说减少覆环气流漏泄。
下面参考与燃气涡轮发动机的应用及工作相关的情况说明本发明。但是，熟悉本技术的并且受本文所述的原理所指导的人们都会明白，本发明的涡轮覆环组合件同样可应用于任何具有带涂层或不带涂层的覆环扇形件的燃烧装置包括(但不限于)锅炉、加热器和其他涡轮发动机。
图1简单示出一种燃气涡轮发动机10，它具有一个风扇组件12、一个高压压气机14、和一个燃烧室16。该燃气涡轮发动机10还具有一个高压涡轮18和一个低压涡轮20。在一个实施例中，上述的燃气涡轮发动机是美国通用电气公司(美国俄亥俄州，辛辛那提市)出产的F414发动机。
燃气涡轮发动机工作时，空气流过风扇组件12，被风扇压缩过的空气从风扇组件12进入高压压气机14。经高压压缩的空气进入燃烧室16，燃烧过的气体则从燃烧室16进入涡轮喷嘴组件22。来自燃烧室16的燃气流驱动安装在可转动的涡轮主轴24上的高压涡轮18和低压涡轮20，然后通过排气系统26排出到燃气涡轮发动机10之外。
在一个实施例中，上述燃气通过涡轮喷嘴扇形件32进入到图1所示的高压涡轮18和/或低压涡轮20。更具体地说，上述燃气通过涡轮喷嘴扇形件32被导引至驱动高压涡轮18和/或低压涡轮20的涡轮转子叶片34。在一个实施例中，由多个转子叶片34构成燃气涡轮发动机10的高压压缩级。每个转子叶片34都安装在转动的涡轮盘(未示出)上。另外，转子叶片34也可以是从一个轮盘(未示出)径向向外伸出，从而由多个转子叶片组成一个整体的涡轮转子(未示出)。
图2是燃气涡轮发动机10的涡轮喷嘴组件22的局部剖视图。在一个实施例中，由多个涡轮喷嘴扇形件32沿圆周互相连接在一起而构成一个涡轮喷嘴组件22。喷嘴扇形件32具有多个沿圆周隔开的并由一个弧形的径向外环区或者说外缘板38和一个相对的弧形径向内环区或者说内缘板(未示出)连接在一起的叶片36。更具体地说，在该实施例中，上述的外环区38和相对的内环区与叶片36构成一个整体，每个喷嘴扇形件32含有两个叶片36，在这种实施例中的喷嘴扇形件32通常称为双体件，在一个替换实施例中，喷嘴扇形件32只含单个叶片36，通常称之为单片件。在另一个替换实施例中，喷嘴扇形件32含有两个以上的叶片36。
如图2所示，外环区38具有一个前面或者说入口面40、一个后面或者说出口面42和一个位于前面40与后面42之间的径向内表面44，该内表面44形成一条供燃气流过涡轮喷嘴组件22的流道。在一个实施例中，燃气通过喷嘴扇形件32被导引至高压涡轮18和/或低压涡轮20，更具体地说，燃气通过喷嘴扇形件32被导引至驱动高压涡轮18和/或低压涡轮20的涡轮转子叶片34。
涡轮覆环组合件50是环绕着含有多个转子叶片34的转子组件33安装的。该涡轮覆环组合件50具有一个前面或者说入口面52、一个后面或者说出口面54和一个在它们之间延伸的径向内表面56，一个径向外表面58与上述径向内表面56大致相对。内表面56构成一条可供燃气流过高压涡轮18和/或低压涡轮20的流道。在一个实施例中，多个相似的或者说相同的涡轮覆环扇形件60沿圆周互相连接在一起构成一个涡轮覆环组合件50。在该实施例中，相邻的覆环扇形件60之间形成一条沿轴线方向的覆环间隙62，以便在燃气涡轮发动机工作过程中便利于相邻的覆环扇形件60和/或涡轮覆环组合件50沿圆周方向的热膨胀。另外，在一个实施例中，在涡轮覆环前面52与涡轮喷嘴后面42之间留有一条间隙70，该间隙70便利于涡轮覆环组合件50和/或涡轮喷嘴组件22沿轴线方向的热膨胀。
图3和图4分别示出覆环扇形件60的局部前视图和侧视图。覆环扇形件60具有一个第一端面80和一个相对着的第二端面。在一个实施例中，上述的第二端面与第一端面80是相似的或相同的(下面将会谈到)。参看图4，第一端面80沿轴线方向界定于覆环扇形件60的至少部分地界定涡轮覆环组合件50的前面52的前缘82与覆环扇形件60的至少部分地界定涡轮覆环组合件50的后面54的相对的后缘84之间(该端面80的轴线方向如图4的方向线83所示)。而且，第一端面80沿径向方向则界定于覆环扇形件60的至少部分地界定涡轮覆环组合件50的内表面56的径向内缘86与覆环扇形件60的至少部分地界定涡轮覆环组合件50的径向外表面58的相对的径向外缘88之间(上述径向方向如图4中的方向线89所示)。上述的径向方向大致垂直于上述的轴线方向。
参看图3和4，沿上述第一端面80的至少一部分形成一个第一端部台阶90。在一个实施例中，上述第一端部台阶90的至少一部分具有一个大致平行于而且偏离第一端面80的第一台阶面92。第一端部台阶90和/或第一台阶面92从径向内缘86沿着第一端面80的沿径向方向的至少一部分沿径向向外延伸。在一个实施例中，第一端部台阶90沿着第一端面80在前缘82与后缘84之间沿轴向延伸。在一个具体的实施例中，第一台阶面92大致沿第一端面80延伸，也就是从前缘82向后缘84延伸，从而使部分地构成第一端部台阶90的第一台阶面92沿圆周偏离第一端面80的径向在外部分94，如图3所示。在一个替换实施例中，第一端部台阶90限定或者说形成第一端面80内的一个凹区或者说凹陷区96，如图4所示。在本实施例中，上述凹陷区96仅沿第一端面80的一部分沿轴线方向延伸。在第一台阶面92内有一个由穿过覆环扇形件60做出的至少一条第一冷却孔道100所形成的孔口98，(如下面所述)，而第一台阶面92径向向外终止于孔口98。上述的第一冷却孔道100可导引冷却流体通过覆环扇形件60。在一个具体实施例中，至少一条冷却孔道100设置在前缘82附近。
如图3和4所示，覆环扇形件60做出或者说具有至少一个用于将相邻的覆环扇形件60连接在一起的密封槽102。在一个实施例中，外环扇形件60具有一个内密封槽或者说第一密封槽102和一个外密封槽或者说第二密封槽104。第一端部台阶90从径向内缘80沿径向向外延伸，以致使其至少一部分位于径向内缘86与内密封槽102之间。参看图3，在一个具体实施例中，第一端部台阶90大致在径向内缘86与内密封槽102之间沿第一端面80的轴向长度延伸。在一个替换的实施例中，第一端部台阶90仅沿第一端面80的一部分轴向长度延伸，因此第一端部台阶90只有一部分大致位于径向内缘86与内密封槽102之间，如图4所示。
当多个涡轮覆环扇形件60沿圆周相连接而成涡轮覆环组合件50时，上述第一端部台阶90至少形成一部分位于相邻覆环扇形件60之间的覆环间隙62。在一个实施例中，第一端部台阶90在相邻的互相连接的覆环扇形件60之间形成覆环间隙62。在一个替换实施例中，第一端部台阶90形成一部分覆环间隙62，而在邻近的相连接的覆环扇形件上形成的相配的端部台阶则形成其余部分的覆环间隙62。在相邻的覆环扇形件60之间形成的覆环间隙62可在发动机工作状态下提供强制驱气流，以防止或者说限制覆环端面发生损坏故障。而且，上述的覆环间隙62也便利于覆环扇形件60在发动机工作过程中由于热条件引起的相对于相邻覆环扇形件60的热膨胀。
如图3和4所示，至少由一条冷却孔道100提供覆环间隙62与合适的冷却流体源例如高压腔106之间的流体连通，以便导引冷却流体通过覆环扇形件60进入相应的覆环间隙62，促使强制驱气流通过环绕转子叶片34设置的覆环间隙62。在一个实施例中，高压腔106与高压压气机14流体连通，以便向涡轮覆环组件50和/或每个覆环扇件60提供冷却气流。在替换的实施例中，可由任何合适的冷却流体源与涡轮覆环组合件50形成流体连通，以便对每个覆环扇形件60提供冷却流体。
在一个实施例中，冷却孔道100在覆环扇形件60的径向外表面58与第一台阶段92之间延伸。如图3和4所示，冷却孔道100形成一个位于第一台面92内的孔口98，在该实施例中，冷却孔道100提供了在覆环间隙62与合适的冷却流源(例如高压腔106)之间的流体连通，以便使强制驱气流通过环绕转子叶片34设置的覆环间隙62。
在一个实施例中，覆环扇形件60具有一个与第一端面80相对的第二端面110，在该实施例中，第二端面110与第一端面80是相似的或者说相同的。第二端面110的轴向方向由前缘82与后缘84界定，而其径向方向则由径向内缘86与径向外缘88界定。在第二端面110的沿径向方向的至少一部分形成一个第二端部台阶112，该台阶112从径向内缘86沿着第二端面110的至少一部分径向向外延伸。至少一部分第二端部台阶112具有一个大致平行于并且偏离第二端面110的第二台阶面113。第二端部台阶112至少部分地构成一个覆环间隙62。
在径向外表面58与上述第二台阶面113之间至少贯穿一条第二冷却孔道114，该冷却孔道114形成一个位于第二台阶面113内的孔口116，并可导引冷却流体通过覆环扇形件60。在一个具体实施例中，至少有一条第二冷却孔道114设置在前缘82附近。第二冷却孔道114在覆环间隙62与一个冷却流体源(例如高压腔106)之间形成流体连通，以促使强制驱气流通过环绕转子叶片34设置的覆环间隙62。
在一个实施例中，提供了一种组装燃气涡轮发动机10的方法。该方法包括围绕燃气涡轮发动机10的转动主轴24安装转子组件33。如图1所示，主轴24沿轴线方向与燃气涡轮发动机10的纵轴线25成一直线排列。在本实施例中，转子组件33具有多个安装在主轴24上并且可在发动机10工作时随主轴旋转的转子叶片34。
将覆环组合件50安装在燃气涡轮发动机10上，该组合件50具有多个环绕转子组件33定位而且互相连接的覆环扇形件60，在相邻的覆环扇形件60之间形成沿轴线方向的覆环间隙62。在一个实施例中，在覆环扇形件60的第一端面80上做出第一端部台阶90，以使该第一端部台阶90至少部分地构成覆环间隙62。穿过覆环扇形件60做出至少一条冷却孔道100，此孔道100从覆环扇形件60的径向外表面58延伸至第一台阶面92，在该第一台阶面92内形成一个孔口98，如图3和4所示。
每个上述的覆环扇形件60与冷却流体源相连接，从而使冷却流体流过每个覆环扇形件60而进入覆环间隙62内，以便在燃气涡轮发动机10工作过程中促使强制驱气流通过覆环间隙62。在一个实施例中，在每个覆环扇形件60的径向外表面58与大致平行于并且偏离覆环扇形件60的第一端面80的第一台阶面92之间至少做出一条冷却孔道100，该冷却孔道100在冷却流体源与覆环间隙62之间形成流体连通。
在一个实施例中，覆环扇形件60具有一个与上述第一端面80相对的第二端面110。该第二端面110与第一端面80是相似的或相同的，其轴线方向由前缘82与后缘84界定，而其径向方向则由径向内缘86与径向外缘88界定。至少沿第二端面110的轴线方向的一部分形成一个第二端部台阶112，该台阶112至少沿第二端面110的一部分从径向内缘86沿径向向外延伸。上述第二端部台阶112至少部分地构成一个覆环间隙62。在径向外表面58与第二台阶面113之间至少做出一条第二冷却孔道114，该孔道114形成一个位于第二台阶面113之内的孔口116，并可导引冷却流体通过覆环扇形件60。在一个具体实施例中，至少有一条第二冷却孔道114设置在前缘82附近。第二冷却孔道114在冷却流体源与覆环间隙62之间形成流体连通，促使强制驱气流通过位于转子叶片34周围的覆环间隙62。
上述的涡轮覆环组合件和组装燃气涡轮发动机的方法可在构成涡轮覆环组合件的相邻的覆环扇形件之间形成强制驱气流，以防止覆环扇形件端面发生损坏故障。更具体地说，在覆环扇形件端面上做出端部台阶，并且穿过覆环扇形件做出冷却孔道，便在冷却流体源与至少由端部台阶部分地形成的覆环间隙之间形成了流体连通。因此，涡轮覆环组合件在工作状态下具有强制驱气流。
上面已经详细说明涡轮覆环组合件和组装燃气涡轮发动机的方法的典型实施例。但是，涡轮覆环组合件和组装燃气涡轮发动机的方法并不限于上述的具体实施例，而是可以将覆环组合件的各零部件和/或组装方法的各步骤单独地并且与上面所述的其他零部件和/或步骤分开地应用。而且，所述的组合件的零部件和/或方法也可限定在其他的组合件和/或方法中，或者与其他的组合件和/或方法结合应用，并不仅局限于以上面所述的组合件和/或方法所进行的应用实践。
虽然上面已经结合各种具体实施例说明了本发明，但是熟悉本技术的人们将会明白也可以在所附权利要求书的精神和范围内加以改进来实施本发明。

Claims (8)

1.一种覆环扇形件(60)，具有：
一个沿轴线方向(83)界定于上述覆环扇形件(60)的前缘(82)与其相对的后缘(84)之间、并沿大致垂直于上述轴线方向的径向方向(89)界定于上述覆环扇形件(60)的径向内缘(86)与相对的径向外缘(88)之间的第一端面(80)；
界定在上述第一端面内的第一和第二密封槽(102，104)；
一个沿上述轴线方向沿上述第一端面(80)的至少一部分形成的并沿上述第一端面的至少一部分从上述径向内缘(86)径向向外延伸的第一端部台阶(90)，使得该第一端部台阶(90)的至少一部分在径向内缘(86)和第一密封槽(102)之间延伸，该第一端部台阶的至少一部分具有一个大致平行于并且偏离于上述第一端面的第一台阶面(92)；和
至少一条在上述覆环扇形件的径向外表面(58)与上述的第一台阶面(92)之间延伸的第一冷却孔道(100)，该至少一条第一冷却孔道(100)形成一个位于上述第一台阶面内的孔口(98)；
所述第一和第二密封槽在径向方向上位于孔口(98)之上。
2.根据权利要求1的覆环扇形件，其特征在于还具有：
一个与上述第一端面(80)相对的第二端面(110)，该第二端面沿上述轴线方向(83)界定于上述前缘(82)与上述后缘(84)之间，并沿上述径向方向(89)界定于上述径向内缘(86)与上述径向外缘(88)之间；和
一个沿上述轴线方向沿上述第二端面的至少一部分形成的并沿上述第二端面的至少一部分从上述径向内缘径向向外延伸的第二端部台阶(112)，该第二端部台阶的至少一部分具有一个大致平行于并且偏离于上述第二端面的第二台阶面(113)。
3.根据权利要求2的覆环扇形件(60)，其特征在于还具有至少一条在上述径向外表面(58)与上述第二台阶面(113)之间延伸的第二冷却孔道(114)，该至少一条第二冷却孔道形成一个位于上述第二台阶面内的孔口(116)。
4.根据权利要求1的覆环扇形件(60)，其特征在于，上述的第一端部台阶(90)构成至少一部分位于上述覆环扇形件与相邻的覆环 扇形件之间的覆环间隙(62)。
5.根据权利要求1的覆环扇形件(60)，其特征在于，上述的至少一条第一冷却孔道(100)在高压腔(106)和在上述覆环扇形件与相邻覆环扇形件之间形成的覆环间隙(62)之间保持流体连通。
6.根据权利要求1的覆环扇形件(60)，其特征在于，上述的第一端部台阶(90)沿上述前缘(82)与上述后缘(84)之间的上述第一端面(80)大致沿轴向延伸。
7.根据权利要求1的覆环扇形件(60)，其特征在于，上述第一台阶面(92)具有一个在上述第一端面(80)上形成并且包围由上述至少一条冷却孔道(100)所形成的孔口(98)的凹陷区(96)，该凹陷区沿上述轴线方向(83)沿上述第一端面(80)部分地延伸。
8.一种环绕燃气涡轮发动机(10)的转子组件(33)沿圆周安装的覆环组合件(50)，具有：
一个第一覆环扇形件(60)，该第一覆环扇形件具有：
一个沿轴线方向(83)界定于上述第一覆环扇形件的前缘(82)与其相对的后缘(84)之间、并沿大致垂直于上述轴线方向的径向方向(89)界定于上述第一覆环扇形件的径向内缘(86)与相对的径向外缘(88)之间的第一端面(80)；
界定在上述第一端面内的第一和第二密封槽(102，104)；
一个沿上述第一端面的沿上述轴线方向的至少一部分(94)形成的并沿上述第一端面的至少一部分从上述径向内缘径向向外延伸的第一端部台阶(90)，使得该第一端部台阶(90)的至少一部分在径向内缘(86)和第一密封槽(102)之间延伸，该第一端部台阶的至少一部分具有一个大致平行于并且偏离于上述第一端面的第一台阶面(92)；和
至少一条在上述第一覆环扇形件的径向外表面(58)与上述第一台阶面之间延伸的第一冷却孔道(100)，该至少一条第一冷却孔道(100)在上述第一台阶面内形成一个孔口(98)；
一个具有与上述第一覆环扇形件的上述第一端面相连接的第一端面(110)的第二覆环扇形件；和
一条至少部分地由上述第一端部台阶在上述第一覆环扇形件与上述第二覆环扇形件之间限定的覆环间隙(62)，上述的至少一条第一 冷却孔道在一冷却流体源与上述覆环间隙之间构成流体连通；所述第一和第二密封槽在径向方向上位于孔口(98)之上。 
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